Short-term multi-step ahead traffic forecasting

par Luis Leon Ojeda

Thèse de doctorat en Automatique et productique

Sous la direction de Carlos Canudas-de-Wit.

Le président du jury était Gildas Besançon.

Le jury était composé de Carlos Canudas-de-Wit, Christophe Berenguer, Fabien Moutarde, Alain Kibangou.

Les rapporteurs étaient Habib Haj-Salem, Hassane Abouaissa.

  • Titre traduit

    Prédiction à court terme et à pas multiples d'indicateurs de trafic routier


  • Résumé

    Dans le cadre des systèmes de transport intelligents (ITS), cette thèse concerne la conception d'une méthodologie de prédiction, en temps réel et pour différents horizons, du temps de parcours à partir des données de vitesse et de débit d'une route instrumentée. Pour atteindre cet objectif, deux approches sont considérées dans cette thèse. La première approche, dite « sans modèle », utilise exclusivement des mesures de vitesse. Grâce à l'utilisation astucieuse des données historiques, nous avons résolu le problème de prédiction comme étant un problème de filtrage. Pour ce faire, des données historiques sont utilisées pour construire des pseudo-observations qui alimentent un filtre de Kalman adaptatif (AKF). Sous une hypothèse de Gaussianité, les statistiques du bruit de processus sont estimées en temps-réel, tandis que les statistiques du pseudo-bruit d'observation sont déduites des données historiques adéquatement classées. La seconde approche, dite ‘'basée-modèle'', utilise principalement des mesures de débit et de vitesse. Contrairement à la précédente approche où la résolution spatiale est fixée par l'emplacement des capteurs, une discrétisation spatiale plus fine est considérée. Celle-ci s'avère possible grâce à l'utilisation du modèle CTM (Cell Transmission Model). Un observateur d'état commuté, de type Luenberger, permet d'estimer les états internes (densités des cellules). En utilisant uniquement les prédictions des débits des conditions frontières via une approche de type AKF similaire à celle développée dans la première approche, le modèle CTM contraint permet de prédire les densités des cellules et d'en déduire les vitesses et le temps de parcours. Les méthodes développées ont été validées expérimentalement en considérant la rocade sud grenobloise comme cas d'étude. Les résultats montrent que les deux méthodes présentent de bonnes performances de prédiction. Les méthodes proposées performent mieux que celles basées sur une utilisation directe des moyennes historiques. Pour l'ensemble des données considérées, l'étude a également montré que l'approche ‘'basée modèle‘' est plus adaptée pour des horizons de prédictions de moins de 30 min.


  • Résumé

    This dissertation falls within the domain of the Intelligent Transportation Systems (ITS). In particular, it is concerned with the design of a methodology for the real-time multi-step ahead travel time forecasting using flow and speed measurements from a instrumented freeway. To achieve this objective this thesis develops two main methodologies. The first one, a model-free, uses only speed measurements collected from the freeway, where a mean speed is assumed between two consecutive collection points. The travel time is forecasted using a noise Adaptive Kalman Filter (AKF) approach. The process noise statistics are computed using an online unbiased estimator, while the observations and their noise statistics are computed using the clustered historical traffic data. Forecasting problems are reformulated as filtering ones through the use of pseudo-observations built from historical data. The second one, a model-based, uses mainly traffic flow measurements. Its main appealing is the use of a mathematical model in order to reconstruct the internal state (density) in small road portions, and consequently exploits the relation between density and speed to forecast the travel time. The methodology uses only boundary conditions as inputs to a switched Luenberger state observer, based on the ``Cell Transmission Model'' (CTM), to estimate the road initial states. The boundary conditions are then forecasted using the AKF developed above. Consequently, the CTM model is run using the initial conditions and the forecasted boundaries in order to obtain the future evolution of densities, speeds, and finally travel time. The added innovation in this approach is the space discretization achieved: indeed, portions of the road, called ``cells'', can be chosen as small as desired and thus allow obtaining a finer tracking of speed variations. In order to validate experimentally the developed methodologies, this thesis uses as study case the Grenoble South Ring. This freeway, enclosing the southern part of the city from A41 to A480, consists of two carriageways with two lanes. For this study only the direction east-west was considered. With a length of about 10.5 km, this direction has 10 on-ramps, 7 off-ramps, and is monitored through the Grenoble Traffic Lab (GTL) that is able to provide reliable traffic data every 15 s, which makes it possible for the forecasting strategies to be validated in real-time. The results show that both methods present strong capabilities for travel time forecasting: considering the entire freeway, in 90% of the cases it was obtained a maximum forecasting error of 25% up to a forecasting horizon of 45 min. Furthermore, both methods perform as good as, or better than, the average historical. In particular, it is obtained that for horizons larger than 45 min, the forecasting depended exclusively on the historical data. For the dataset considered, the assessment study also showed that the model-based approach was more suitable for horizons shorter than 30 min.


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